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L2140-i為17O-盈余測量提供助力

更新時間:2020-05-07      點擊次數:1467

摘要:什么是17O-盈余?為什么要測量17O-盈余 ? 如何測試17O-盈余?

     在水中氫、氧穩定同位素研究領域,雖然大多數研究關注于氧重穩定同位素18O和更普遍的輕同位素16O,卻常常忽略了另外一個氧同位素17O。17O在自然態氧的組成中少于0.04%,但是它可以通過冰芯研究過去的濕度;通過葉片和莖稈可以研究蒸散;通過液態水可以研究常規的蒸發機制。

背景知識拓展:

   在幾乎所有的自然過程中,對一種同位素的偏好與每種同位素的質量有關——通常被稱為“質量依賴分餾”。對于氧,這意味著對18O相對于16O(2個原子質量單位差)的偏好大約是對17O相對16O(1個原子質量單位差)的偏好的兩倍。例如,考慮降雨事件中氧同位素的分餾: 由于水分子中化學鍵的穩定性,18O優先進入液相,剩下的水蒸氣δ18O逐漸變小。相反,較之于云團本身的δ18O,降雨中18O就變得豐富。如果我們評估相同的事件中δ17O,傾向于17O進入液相的優先度大約是18O的一半。因此, 云團剩余的水和降雨中δ17O大約是δ18O的一半。通過繪制δ18O與δ17O關系圖可以看出其數據點的斜率大約0.5(圖1和圖2)。

圖1. 大氣水汽的δ18O與δ17O關系圖,以及δ18O和17O-盈余關系圖圖形來自Luz Barkan, 2010; 數據來自 Barkan Luz, 2005; Luz Barkan, 2010; Landais 等人, 2008)。大氣水與海水相比17O-盈余更高。

什么是17O-盈余?

除了少數例外,幾乎所有的地球物質的水同位素都落在這條線上。然而,仔細觀察就會發現,坡度并不*是0.5,而是稍微大一些,而且不同的過程會導致不同的坡度。特別是,幾乎所有的大氣降水,從熱帶到極地地區的冰,其斜率為0.528 (Meijer  Li, 1998)。該斜率是液相與氣相平衡分餾綜合效應的體現(斜率為0.529; Barkan和Luz, 2005)和動力學過程,如蒸發、凝結、空氣中的水蒸氣擴散和葉片蒸騰,所有這些都與較淺的斜坡有關(< 0.52)。

為評估δ17O和δ18O之間的異常關系,科學家們定義了參數?17O:

 

2 為了幫助展示17O-盈余是如何表現出來的,可以用不同斜率的過程矢量圖。在這個例子中,來自LuzBarkan(2010),展示了17O-盈余的海洋水蒸氣起源。在海洋附近形成的水汽(100%濕度)將遵循平衡分餾,斜率為0.529,使17O相對于大氣降水線略有減少?,F在擴散到干燥的空氣中,斜率下降到~0.518。這導致水蒸氣中的17O-盈余,這將隨著氣團的相對濕度而演變。

 

為什么測試17O-盈余?

?17O被稱為“17O-盈余”, 它量化了與“大氣降水線”的偏差,這里λ= 0.528。因為17O-盈余溫度的變化不太敏感,可以用來探測水文系統,對傳統的“氘-盈余”方法(d-盈余=δD-8δ18O)基礎上添加了額外的信息。Uemura 等人(2010)測量海洋水汽17O-盈余,發現與相對濕度呈負相關, 而來自極地冰芯的17O-盈余記錄提供了關于過去水循環變化的有價值的信息,例如,海洋上相對濕度的大規模變化;降水的水分來源 ((Landais 等人, 2008; Winkler等人, 2012)。

如何測試17O-盈余?

通常情況下,17O-盈余的量往往非常小(小于0.01‰),因此,需要非常高精度的測量(通常為5-8 per meg)。這也使得對17O-盈余的測量極其困難,通常需要*精度的儀器設備(精度優于0.01 ‰, 或10 per meg)才能捕捉到;其次,傳統的技術測量17O需要將其轉化為O2,這是一個復雜且費時的方法,且只能在實驗室進行, < 10個實驗室用傳統的IRMS技術來測定17O-盈余。

方法推薦:

華盛頓大學Andrew J. Schauer等學者采

Picarro L2140-i 超高精度液態水同位素分

析儀,在原測樣方法的基礎上對其進行改進,通過減少樣品注射次數和延長每個注入樣品的分析時間來獲得更高的170和17O-盈余測量精度,為簡單的和連續測量δ18O δ17O δD和17O-盈余提供了可能。

測量結果:

使用改進后的高精度模式獲得δD,δ17O,δ18O,d和Δ17O精度分別為0.4 mUr,0.04 mUr,0.07 mUr,0.5 mUr和8μUr,其中mUr = 0.001 =‰,μUr= 10–6。通過改進Picarro L2140-i的測量方法,使原本17O-excess確保精度在15 per meg能提高到8 per meg;這個質的提升可以為更多的科研學者們解決質譜儀做17O-盈余繁雜,需要將樣品寄到國外實驗室并支付高額的測樣費用的煩擾。

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